L'iniezione di segnali vettoriali ad alta frequenza utilizzati per il controllo senza sensori a frequenza zero è un processo che richiede una precisa generazione di tensione. Se, nel controllo della macchina, non vengono considerate le non linearità dell'inverter, si introducono degli errori nella tensione iniettata; essi possono produrre salienze fittizie, vale a dire componenti nel segnale di corrente la cui origine fisica non è una salienza nella macchina e che potrebbe eventualmente causare una modellazione errata delle salienze indotte dalla saturazione.
fig.14.1 tipica struttura di collegamento tra la rete e il motore elettrico
L'effetto delle capacità parassite dei dispositivi di potenza è risultato essere il principale contributo alla distorsione del segnale del vettore. Si ritiene che i metodi di compensazione convenzionali non riescano a neutralizzare la distorsione del segnale di vettore in quanto non tengono conto o trascurano l'effetto delle capacità parassite.
Le non linearità dell’inverter sono molteplici:
-il tempo morto, necessario per impedire che il collegamento DC sia cortocircuito quando i due dispositivi di una gamba dell'inverter sono commutati;
- i tempi di accensione e di spegnimento degli IGBT (rispettivamente condurre completamente o bloccare completamente la corrente) ;
- le capacità parassite dei semiconduttori che provocano cambiamenti nella salita e nella discesa della tensione di uscita;
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- il bloccaggio della corrente zero che avviene quando una corrente di fase si avvicina allo zero durante il tempo morto;
- cadute di tensione nei semiconduttori.
Tutti questi problemi relativi alla generazione PWM sono stati studiati dal punto di vista della trasmissione di potenza; tuttavia, è ancora necessario una migliore comprensione della loro importanza relativa quando l'iniezione di segnali ad alta frequenza viene utilizzata per rilevare le salienze.
La distorsione del segnale di corrente di sequenza negativa contenente le informazioni sulla posizione del rotore può essere causata da salienze che quindi non possono essere messe a modello o da distorsioni nella tensione ad alta frequenza iniettata. Tale distorsione può causare errori nella posizione stimata. La distorsione del segnale può essere visualizzata nel dominio del tempo quando le correnti di fase attraversano lo zero. Poiché questa distorsione non è stata osservata utilizzando un inverter lineare per alimentare il motore, essa viene attribuita al tempo morto dell'inverter.
(a)
(b)
(c)
fig.14.2
Fig.14.2a mostra la corrente di fase dopo che il segnale vettore è stato
rimosso. Non si osserva alcuna distorsione in queste correnti, anche se non è stata utilizzata alcuna compensazione del tempo morto nei regolatori di
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corrente. In fig.14.2b e fig.14.2c sono mostrati, rispettivamente per 2μs e 4μs di tempo morto, i segnali vettoriali di sequenza negativa nel sistema di riferimento di corrente. Una distorsione significativa è evidente quando una qualsiasi delle correnti di fase attraversa lo zero. Inoltre, è visibile l'effetto dannoso dell'aumento del tempo morto. Lo stesso effetto è stato osservato misurando la tensione ad alta frequenza e la distorsione è stata osservata nella tensione iniettata, rispetto al valore imposto, ogni volta che la corrente di fase ha attraversato lo zero. “Inverter clamping” è il nome usato per questo tipo di non linearità dell'inverter; è stato attribuito alle variazioni dei tempi di accensione e di spegnimento degli interruttori a bassi livelli di corrente.
fig.14.3 simulazione con segnale ad alta frequenza iniettato e tempo morto di 2μs
Distorsione del vettore di tensione ad alta frequenza
Fig.14.3 mostra una forma d'onda simulata delle correnti e delle tensioni
quando viene iniettato il vettore di tensione, senza tensione fondamentale. A causa della bassa ampiezza e dell'alta frequenza relativa della tensione di alimentazione iniettata, la corrente ad alta frequenza risultante si trova nell'intervallo della zona 2 di fig.14.4. La forma d'onda dell’errore di tensione ha la stessa frequenza ed è in fase con la corrente ad alta frequenza. Quindi, la tensione di uscita è una forma d'onda alla stessa frequenza della tensione imposta, ma con una diversa ampiezza e fase. La frequenza della corrente rimane inalterata, e poiché l'iniezione ad alta frequenza è un ciclo aperto, non vi è distorsione apparente. Va notato anche che in Fig.14.3 non
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viene prodotto alcun “clamping” quando la corrente ad alta frequenza attraversa lo zero.
fig.14.4 Effetto del tempo morto; quando lo stato di commutazione di una gamba cambia, deve essere dato un tempo di ritardo all'interruttore inizialmente acceso per
spegnere prima che l'altro interruttore sia acceso
Fig.14.5 mostra una simulazione in cui vengono impostate sia la tensione
fondamentale che quella vettore. Quando l'ampiezza della corrente è abbastanza grande (all'inizio e alla fine del periodo) l'errore di tensione rimane pressoché costante, viene osservata solo una piccola variazione dovuta al componente resistivo dei semiconduttori. Quando la corrente di fase attraversa la fascia in cui la capacità parassita dei semiconduttori influenza la tensione di uscita, l'errore di tensione viene modulato alla frequenza del segnale di supporto.
La distorsione visualizzata nel segnale vettore viene quindi spiegata come segue. Quando la corrente è abbastanza grande (sopra ai 0,5 A in fig.14.5), non vi è alcuna distorsione relativa nella tensione ad alta frequenza. Quando la corrente fondamentale si avvicina a zero, la corrente del segnale vettore viene modulata da un errore di tensione alla frequenza portante, causando una diminuzione della grandezza della corrente portante e una fase di ritardo. I regolatori di corrente, se esistono, annulleranno il clamping della corrente zero rendendola più veloce e quindi la distorsione sarà più breve nel tempo. È evidente che il clamping di corrente appare in fig.14.5 per la corrente fondamentale, anche se la corrente istantanea continua ad attraversare zero.
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fig.14.5 simulazione con iniezione della tensione fondamentale e ad alta frequenza
Da questa analisi si può concludere che la maggior parte dei metodi convenzionali di compensazione non riesce a impedire che il comportamento non ideale del convertitore provochi una distorsione della tensione ad alta frequenza iniettata quando le correnti di fase sono quasi zero, ad eccezione di quei metodi che tengano conto delle capacità parassitarie per compensare il bloccaggio nelle correnti di fase. Due soluzioni basate su software sono proposte in, "A new compensation strategy reducing voltage/current
distortion in PWM VSI systems operating with low output voltages," di J.-W. Choi. Il primo calcola il punto in cui la corrente attraversa lo zero e la
tensione della f.c.e.m., calcolando una tensione di compensazione basata sul modello del motore. La seconda soluzione utilizza un modello lineare dell'errore di tensione per compensare la corrente una volta che va oltre un livello di soglia.
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